基于有限元方法的发动机连杆分析

2022-09-28杨京晶

内燃机与配件 2022年16期

关键词：连杆模态对话框

0 引言

柴油发动机已广泛应用于载重汽车和客车等车辆中，其性能的好坏极大地影响车辆的整体性能，发动机是一个质量不平衡系统，且内部存在着燃爆，故而发动机的振动不可避免。其中发动机连杆是承受动态应力和冲击力最高的动力学负荷部件。

连杆组在气缸内工作条件十分恶劣，承受着以下几方面方面的作用力：

(1)进压爆排四个冲程产生的燃气压力；

(2)周期性运动产生的惯性力；

2.1.1 不同灌水量对啤酒大麦农艺性状及经济系数的影响不同灌水量水平下甘啤6号的株高、穗长、千粒重、单株生物产量等性状的考种结果如表2所示。灌水量对各农艺性状影响显著。随着灌水量的提高，株高、穗长、穗粒数极显著的增加，在1 500 m3/hm2灌溉水平以上，株高、穗长、穗粒数均较好，其中以3 000 m3/hm2灌溉处理取得最高值；各处理千粒重差异显著，以1 500 m3/hm2和2 250 m3/hm2灌溉水平最高，3 000 m3/hm2灌溉水平次之。经济系数最优的是2 250 m3/hm2和1 500 m3/hm2灌溉水平处理分别高达53.4%，49.1%。

(3)连杆高频摆动时产生的横向惯性力。

这三种力的大小和方向随着曲轴转角的变化而不断地变化。综合起来的结果使连杆处于一种交变的复杂受力状态

，因此对连杆刚度和强度有很高要求。连杆的工艺水平和尺寸不仅影响着发动机尺寸，也影响着发动机的可靠性和寿命，故而连杆的模态分析是发动机设计必不可少的重要组成部分。其中，连杆杆身是一个长杆件，在工作中受力也较大，为防止其弯曲变形，杆身必须要具有足够的强度和刚度。汽车发动机连杆结构直接关系到发动机的使用寿命

。

在产品设计中引入现代设计方法，通过分析优化提升产品的性能与质量，是传统产品设计改进的重要方向。本文通过采用有限元法和模态分析方法，求出连杆的固有频率和振型，同时在利用有限元法时探讨了单元大小对模态频率收敛性的影响，得出了适宜的单元尺寸，为连杆后续结构强度分析和进一步改进产品设计提供参考。

本文的工作可以分为三大部分。第一部分为运用CATIA对所设计的连杆进行三维建模。在此过程中合理地对连杆设计图纸进行简化。将连杆大头和端盖作为一体建模，对二者某些过渡部分做了简化。工字梁横截面的圆角和曲面简化成无圆角和曲面的横截面，对连杆小头则将其简化为圆筒状。

第二部分为柴油机连杆的有限元分析和模态分析。通过定义单元大小和划分网格，计算并导出分析报告，得出了连杆的自由模态频率和振型，并重点比较了不同网格密度对有限元模态分析的结果的影响。通过定义四面体四节点和四面体十节点单元不同的单元大小，分析比较了其模态频率的收敛性，得出应用10mm单元大小比较恰当的结论，为后续的整机模态求解提供依据。

1.2.1 绘制连杆大头外轮廓并建立凸台

1 运用CATIA软件建立连杆模型

1.1.4 绘制连杆小头轮廓

1.1 建立连杆小头

1.1.1 建立新文件

定义三维单元属性。点击【3D Property】(三维属性)按钮，弹出对话框。选择连杆，点击对话框中的【确定】，模型树上生成【3D Property.1】元素。

1.1.2 选择平面

选择xy平面上绘图。绘制工字梁(无凹槽)轮廓，运用【直线】命令按照设计的尺寸绘制出轮廓曲线。

2.2.3 个体差异:不同人种对同一药品的敏感性也不同,而同一人种的不同个体也会对同一药物的反应也相异。

组蛋白赖氨酸甲基转移酶DOT1L抑制剂分子水平高通量筛选模型的建立··············································徐威苏明波周宇波 (1,126)

退出草图绘制器工作台，选择【凸台】命令。选择上一步建立的轮廓，沿Z轴正负方向各拉伸10mm。

在航空和汽车设计领域，CATIA已经成为必选的设计辅助工具

。CATIA在汽车工业应用已经十分广泛，是欧美和亚洲等一流汽车制造厂家所用的核心系统。CATIA 在车身造型、发动机设计等方面具有独到之处，为各种汽车的设计和制造提供了绝佳的解决方案。CATIA 涉及产品、加工和人三大领域，其可伸缩性和并行工程能力非常卓越，在赛车、轿车、卡车、商用车、地铁等车辆上都可以进行数字化设计。CATIA具有强大的修改能力，尤其是后期修改性很好，对实体建模和曲面造型，CATIA提供了智能化的树结构，用户可方便快捷地进行多次修改。以下为三维模型建立的具体步骤。

BALB/c小鼠60只，SPF级，雌性，体质量18～22 g，由湖北省医学科学院动物中心提供，动物生产许可证号：SCXK（鄂）2015-0019。所有小鼠均在20～25℃室温、12 h/12 h昼夜交替的条件下饲养，每天早晚各喂料1次，同时清洗饮水瓶并更换饮用水。

运用圆命令绘制连杆小头的外圆，同理用【凸台】命令沿Z轴正负方向各拉伸16mm。再绘制连杆小头的内圆，退出工作台后选择【凹槽】命令，沿Z轴正负方向各拉伸16mm。如图1。

1.2 建立连杆大头及其他细节

第三部分为成果与结论。

(3)经过球粒陨石标准化的稀土配分曲线表明，各岩(矿)石的δEu为0.600～0.950，显示轻微的Eu负异常。各岩(矿)石的δCe为0.879～0.890，显示轻微的Ce负异常。

单击左边树形图中的xy平面，单击【草图】，退回至草图工作台。利用【圆】、【直线】、【打断】、【镜像】等命令绘制草图，然后单击【约束】，完成必要的尺寸标注，单击【在对话框中定义的约束】，完成约束定义。以图纸中的尺寸绘制连杆大头外轮廓。退出草图工作台，并绘制凸台。

绘制连杆大头其他主要轮廓，建立相应的凸台和凹槽如图2。

1.1.3 建立凸台

对工字梁与连杆小头的外表面做面与面圆角处理，半径为65mm。对连杆大头各处做相应的圆角和倒角处理。

绘制连杆大头螺栓处的轮廓，并建立凸台。

绘制工字梁凹槽轮廓。运用【凹槽】命令，绘制出凹槽，运用镜像命令，镜像元素选为xy平面，要镜像的对象选择特征树中刚才绘制的凹槽，点击【确定】后，可得关于xy平面对称的凹槽。

绘制螺栓头部轮廓，并建立凸台，运用镜像命令，镜像元素选为该面的对称线，要镜像的对象选择特征树中刚才绘制的凸台，点击【确定】后，可得该面的对称线对称的凸台。并对工字梁与连杆大头连接处各棱线做圆角处理，对其他必要部分做圆角和倒角处理，如图3，至此建模结束。

有人说：“光有学问而没有德行，这样的学问就跟狗尾巴一样没有用，它既不能遮住屁股眼，也不能用来赶走蚊子和马蝇。”因为良好的德行源于德育，德育之重要性可见一斑。

2.连杆模态分析

2.1 对连杆模型的有限元分析步骤

2.1.1 对零件赋予材料属性并设置有限元计算模型

在正常工况下，连杆必须有足够的强度、刚度和较好的动力学特性，并且要求连杆的质量尽可能小。因此连杆通常采用中碳钢、合金钢或铸铁等材料制造而成

。在左边的模型树中单击选中【零部件几何体】，点击应用材料按钮，弹出【库(只读)】对话框，点击【Metal】金属选项卡，在列表中选择【Steel(钢)】材料，点击对话框中的【确定】按钮，将钢材料赋予零件。点击【保存】按钮，将零件保存。

电气故障包括控制回路断线、跳闸回路的各元件，例如：控制断路器的触头和断路器的操动机构对触头进行辅助，防止继电器与继电保护发生跳闸或者回路接触不良。当跳闸的回路发生断线或者跳闸的线圈被烧坏时，继电的保护整定值也会不正确，而直流电压太低，低于额定的电压80%以下[2]。

从上述分析可见，国内外名物化研究的重点既有相似之处，又有很大差异。相似点在于热点都涉及语法隐喻、翻译、认知、语言类型等，差异较大的有两点，一是国内比较关注名物化现象的词法研究，而国外更关注句法；二是国内的名物化研究还是以理论研究为重，而国外已经出现明显的实证研究转向。

点击【开始】→【分析与模拟】→【Generative Structure Analysis】。进入【通用结构分析】工作台。

点击【Compute】，弹出【Compute】对话框，在第一个下拉多选框内选择【All】，点击【确定】。系统会先后弹出三个对话框，在最后一个对话框中点击【确定】。开始计算。点击【应力图】按钮，可查看应力分布。

定义单元参数。连杆体上出现四面体单元体图标。点击【Octree Tetrahedron Mesh】，弹出【Octree Tetrahedron Mesh】对话框。在【Global】(全局)选项卡内，在【Size】(单元大小)数值栏内输入5，点击选中【Absolute sag】(绝对垂度)数值栏内输入0.5，在【Element type】(单元类型)选择第二个选项，单元即设置为二次单元。点击对话框中的【确定】，模型树上生成【3D Mesh.1】元素。

选择菜单中的【文件】→【新建】命令，出现【新建】对话框，在【类型列表】栏中选择“part”，单击【确定】。出现【新建零部件】对话框，输入“liangan01”，单击【确定】。单击【开始】→【机械设计】→【草图绘制器】。

2.1.2 求解问题和导出报告分析

山西省春播中晚熟玉米杂交种评价…………………………………………… 阎晓光，李洪，董红芬，李爱军，王国梁，杜艳伟（7）

进入【通用结构分析】工作台后，弹出【New Analysis Case】对话框，选择【FreeFrequency Analysis】(自由模态分析)选项，点击【确定】按钮，关闭对话框，同时在模型树上生成【Finite Element Model.1】元素。

掌握本企业上市药品的临床使用情况是对药品实现全生命周期管理的关键，但企业从临床收集药品的使用信息非常有限，在795份报告中，仅有8份是企业自主上报。近3年不良反应报告数量逐年减少（发生率1.30%），表明不良反应在可接受的范围内。客观上活血止痛胶价格便宜，利于在基层推广使用，但基层单位数量多、每家单位药品用量小，无论是依靠本企业人员联系使用终端、或是委托代理商收集信息都会产生较大的成本。面对目前药品降价呼声和改进措施不断推出，而人工、原辅料、包装材料及管理成本日益上涨，对于在成本压力下生存和发展的企业，履行好药品安全主体责任是一个严峻挑战。

点击【Generate Report】按钮，自动生成报告文件。文件中显示材料属性为STEEL(钢)，同时生成模态频率表格。因为本文进行的是自由模态分析，不对连杆进行加载，所以前六阶模态分别对应其六个自由度，其频率为零或基本为零。所以在后续分析计算中，本文不再对前六阶的结果进行讨论。并且在后文将CATIA分析报告中的第七至十阶分析结果作为第一至四阶分析结果。

2.2 单元大小的选择与模态收敛性分析

网格密度直接影响计算结果的精度和计算规模的大小

。当网格密度增大，计算精度相应提高，计算规模相应增加。但网格密度不能无限增加，因为超过一定密度后，计算精度几乎不再提高，计算规模却大幅增加，所以确定单元大小时需要结合起来考虑。柴油机连杆可以选择四面体单元或六面体单元。连杆结构较为复杂，如若选择形状规则的六面体单元，恐怕难于适应，因此选择四面体单元。四面体单元又分为四面体四节点单元和四面体十节点单元，选取不同单元尺寸进行模态收敛性分析，以求得合适的尺寸，同时计算规模适中的结果。图4和图5是模态频率图，体现的是在不同单元尺寸下选用四面体四节点和四面体十节点时进行模态收敛性分析的结果。

从模态频率收敛图可得出，同样的四面体单元，网格密度对模态分析的精度有影响。对四面体十节点单元，单元尺寸由10mm、9mm一直到3mm发生变化时，得出的模态频率相差极小，其收敛性很好，对精度影响较小。这说明，四面体十节点单元随着网格划分变细小，频率收敛性很好，精度提高不明显。对于四面体四节点单元，可看出随着网格划分变细小，各阶频率基本呈下降趋势，模态频率相差较大，精度较低。

表1为四面体四节点与四面体十节点的固有频率相对误差表(单元尺寸10mm)，可见，四面体四节点和四面体十节点相对误差较大。综合分析，取单元尺寸10mm(四面体十节点)时计算精度要求已经可满足工程需要。因此在后续分析时，选用10mm大小的四面体十节点网格。

温控面板目前主要有自动模式、无人模式、手动模式以及联网远程控制等多种控制模式。产品选型时，需结合具体项目需求，选择合适功能的面板，避免过度选择或漏选。通过面板的现场调节，选择相应的控制模式，如自动模式仅能在本地设定温度上下，不能调节风速大小，无人模式的温度及风速均不能调节，手动模式的温度及风速均能调节。